CN110093618A - 基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统以及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统以及工作方法，包括碟式斯特林机、水泵、电解池、氢气分离器、氢气储存器、氢燃料电池、单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器、蓄电池和DC/AC逆变器。水由水泵进入碟式斯特林机，利用太阳能光热加热工质，将水加热成高温水蒸气并引入电解池中进行电解。电解水得到的氢气和未反应的水蒸气通过氢气分离器分离，氢气贮存在氢气储存器中，未反应的高温水蒸气返回碟式斯特林机中循环使用。氢气进入氢燃料电池阳极，发生电化学反应将化学能转化为电能，得到的电能一部分通过DC/DC变换器和DC/AC逆变器流入负载端，另一部分通过DC/DC变换器进入蓄电池。

Description

基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统以及工作 方法
技术领域
本发明涉及一种基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统以及工作方法，属于新能源技术领域。
背景技术
分布式能源系统是具有低排放、高灵活、高效率等特点的能源生产系统。分布式能源系统与大电网的合理结合可以很大程度改善供电效率、供电质量与供电安全，减少环境污染，被看作是21世纪电力工业发展的新方向，如申请号为201710418947.8的中国专利。
氢是一种热值非常高的可再生能源，燃烧后的产物仅有水，没有任何污染。随着能源危机和环境污染日益严重，加之分布式能源系统的大力发展，对氢能的研究和开发具有重要的意义。
利用分布式能源系统中的太阳能光热装置碟式斯特林机，将太阳光聚焦到吸热器加热工质，通过换热把水加热成高温水蒸气，将水蒸气通过电解池进行电解。电解高温水蒸气可以很大程度的降低电解所需电能，并大幅提高电解效率。
发明内容
本发明结合分布式能源系统的特点，充分发挥其多能互补的优势，提供一种基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统以及工作方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统，其特征是，包括碟式斯特林机、水泵、电解池、氢气分离器、氢气储存器、氢燃料电池、单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器、蓄电池和DC/AC逆变器；所述水泵与碟式斯特林机连接，所述碟式斯特林机、电解池、氢气分离器、氢气储存器和氢燃料电池依次连接，所述氢燃料电池分别与单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器连接，所述单向DC/DC变换器与DC/AC逆变器连接，所述双向DC/DC变换器与蓄电池连接。
优选的，所述碟式斯特林机中的工质选用氢气或者氦气。通过将入射太阳光聚焦加热工质，驱动发电，同时对水进行换热。
优选的，所述电解池选用高温固体氧化物电解池。高温电解可以降低电能的消耗，很大程度的提高制氢效率，并且高温条件下进行电解，能大幅改善电极的动力学性能，提高效率，降低成本。同时高温电解池可以更好的与碟式斯特林机的高温特点相契合。
进一步的，所述氢气分离器用于分离氢气与水蒸气，因为混合气体中有部分没有参与电解反应的水蒸气，分离便于氢气的提纯及储存。
优选的，所述氢气储存器为70MPa或140Mpa的高压储氢罐。
优选的，所述氢燃料电池为质子交换膜燃料电池（PEMFC)或固体氧化物燃料电池（SOFC）。这两类燃料电池以氢作为燃料都具有良好的性能，并且符合有关氢能与燃料电池技术创新的目标、路线。
优选的，蓄电池选用锂离子电池或铅炭电池，其中锂离子电池的能量密度高、循环寿命长、充放电效率高，铅炭电池的系统成本低，根据需求选用。蓄电池用于储存燃料电池余电，在阳光不足时为电解池供电。
所述的基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统的工作方法，其过程如下：水泵将水注入到碟式斯特林机中，通过聚集太阳能光热，加热工质并通过换热将水加热成高温水蒸气，同时产生电能；将高温水蒸气引入到电解池的阴极，并利用少量蓄电池的电能或系统余电进行电解，得到混合气体，通过氢气分离器分离提纯得到氢气，并贮存在氢气储存器中，水蒸气则返回碟式斯特林机中循环使用；氢气从氢气储存器中输送到氢燃料电池的阳极，通过电化学反应将氢燃料的化学能转化为电能；氢燃料电池输出的电能一部分通过单向DC/DC变换器和DC/AC逆变器到达负载端，另一部分通过双向DC/DC变换器进入蓄电池。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明通过分布式能源系统中的碟式斯特林机聚集产生的太阳能光热加热工质后，经过换热将水转换成高温水蒸气进行电解制氢，得到的氢气通过氢燃料电池发电。本发明完美的结合分布式能源系统灵活、高效的特点，多能互补综合利用，将太阳能与天然气互补碟式斯特林发电、电解水制氢与燃料电池耦合等多种能源综合梯级利用，大幅度提高系统能效。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图。
图中：碟式斯特林机1、水泵2、电解池3、氢气分离器4、氢气储存器5、氢燃料电池6、单向DC/DC变换器7、双向DC/DC变换器8、蓄电池9、DC/AC逆变器10。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1，本实施例中的基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统，包括碟式斯特林机1、水泵2、电解池3、氢气分离器4、氢气储存器5、氢燃料电池6、单向DC/DC变换器7、双向DC/DC变换器8、蓄电池9和DC/AC逆变器10。
水泵2与碟式斯特林机1连接，碟式斯特林机1、电解池3、氢气分离器4、氢气储存器5和氢燃料电池6依次连接，氢燃料电池6分别与单向DC/DC变换器7和双向DC/DC变换器8连接，单向DC/DC变换器7与DC/AC逆变器10连接，双向DC/DC变换器8与蓄电池9连接。
其中：碟式斯特林机1中的工质为氢气或者氦气。电解池3为高温固体氧化物电解池。氢气储存器5为70MPa或140Mpa的高压储氢罐。氢燃料电池6为质子交换膜燃料电池或固体氧化物燃料电池。蓄电池9为锂离子电池或铅炭电池。
工作方法如下：水泵2将水注入到碟式斯特林机1中，通过聚集太阳能光热，加热工质并通过换热将水加热成高温水蒸气，同时产生电能；将高温水蒸气引入到电解池3的阴极，并利用少量蓄电池的电能或系统余电进行电解，得到混合气体，通过氢气分离器4分离提纯得到氢气，并贮存在氢气储存器5中，水蒸气则返回碟式斯特林机1中循环使用；氢气从氢气储存器5中输送到氢燃料电池6的阳极，通过电化学反应将氢燃料的化学能转化为电能；氢燃料电池6输出的电能一部分通过单向DC/DC变换器7和DC/AC逆变器10到达负载端，另一部分通过双向DC/DC变换器8进入蓄电池9。
虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统，其特征是，包括碟式斯特林机（1）、水泵（2）、电解池（3）、氢气分离器（4）、氢气储存器（5）、氢燃料电池（6）、单向DC/DC变换器（7）、双向DC/DC变换器（8）、蓄电池（9）和DC/AC逆变器（10）；所述水泵（2）与碟式斯特林机（1）连接，所述碟式斯特林机（1）、电解池（3）、氢气分离器（4）、氢气储存器（5）和氢燃料电池（6）依次连接，所述氢燃料电池（6）分别与单向DC/DC变换器（7）和双向DC/DC变换器（8）连接，所述单向DC/DC变换器（7）与DC/AC逆变器（10）连接，所述双向DC/DC变换器（8）与蓄电池（9）连接。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统，其特征是，所述碟式斯特林机（1）中的工质为氢气或者氦气。
3.根据权利要求1所述的基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统，其特征是，所述电解池（3）为高温固体氧化物电解池。
4.根据权利要求1所述的基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统，其特征是，所述氢气储存器（5）为70MPa或140Mpa的高压储氢罐。
5.根据权利要求1所述的基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统，其特征是，所述氢燃料电池（6）为质子交换膜燃料电池或固体氧化物燃料电池。
6.根据权利要求1所述的基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统，其特征是，所述蓄电池（9）为锂离子电池或铅炭电池。
7.一种如权利要求1-5中任一项所述的基于分布式光热电解水制氢装置及氢燃料电池系统的工作方法，其特征是，过程如下：水泵（2）将水注入到碟式斯特林机（1）中，通过聚集太阳能光热，加热工质并通过换热将水加热成高温水蒸气，同时产生电能；将高温水蒸气引入到电解池（3）的阴极，并利用少量蓄电池的电能或系统余电进行电解，得到混合气体，通过氢气分离器（4）分离提纯得到氢气，并贮存在氢气储存器（5）中，水蒸气则返回碟式斯特林机（1）中循环使用；氢气从氢气储存器（5）中输送到氢燃料电池（6）的阳极，通过电化学反应将氢燃料的化学能转化为电能；氢燃料电池（6）输出的电能一部分通过单向DC/DC变换器（7）和DC/AC逆变器（10）到达负载端，另一部分通过双向DC/DC变换器（8）进入蓄电池（9）。
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